淺議復雜外形飛機天線罩的數字下料技術

【摘 要】本文對飛機天線罩傳統下料和數字化下料模式進行了對比分析，簡要闡述了利用CAM優化天線罩下料設計的方法及步驟及需關注的幾個關鍵技術。

【關鍵詞】天線罩；優化設計；下料

0 引言

飛機天線罩外形設計指標是多方面的，主要有總體布置、氣動外形、電性能、結構、強度、重量等方面的要求，需要進行總體-氣動-結構強度-電性能一體化設計。這些要求有時是相互制約的。目前在企業實際生產中，天線罩的設計制造仍處于手工的單學科設計階段，主要依賴于經驗。天線罩毛料數字化展開系統計算毛料所需的有關數據由CAD系統CATIA處獲取，計算完成后所建立的毛料數模通過PDM系統添加到工藝數據庫中。

1 天線罩傳統下料和數字化下料模式對比

1.1 傳統下料模式

傳統工作模式中，采用模擬量傳遞，天線罩下料必須要有下料樣板。現有技術難以進行復雜型面毛料計算，常常通過在零件成型工裝型面上取實樣的方法來進行毛料展開和下料樣板的制造。復合材料天線罩制造過程中，除了數字化控制的熱壓罐、激光定位裝置之外，從結構鋪層設計、展開、排樣的下料過程都是手工勞動，采用模擬量傳遞的過程。目前天線罩典型下料流程：天線罩模型設計、鋪層結構設計、工裝型面取實樣、毛料展開、組合排樣、預浸料畫線、下料加工。對于型面復雜的天線罩，毛料的展開與計算便于實施，下料樣板的制造亦相對簡單。但大多天線罩的型面都很復雜，不便于通過計算進行毛料展開與下料樣板制造，因此常常通過在零件成型工裝型面上取實樣的方法來進行下料樣板的制造及毛料展開，同時下料樣板留有一定的工藝余量，便于鋪貼時進行工藝補償。采用這種方法，下料樣板數量較多，工作量較大，由于缺乏相關數字化技術的支持，工藝準備周期長，預浸料利用率和加工效率低下，導致天線罩的生產周期長、成本高、加工質量也不穩定。

1.2 數字化下料模式

天線罩數字下料是指依據數字模型，進行工件坯料鋪層和芯層的離散、優化設計、展開排樣、預浸料數控切割下料得到復合材料鋪層和芯層坯料的過程。通過開發與現有的CATIA系統相集成的天線罩蒙皮鋪層數字化展開系統，根據天線罩結構鋪層的外形數據來反算毛料外形與尺寸。結構鋪層的型面數據通過對結構鋪層CAD模型型面劃分網格后獲取；根據復雜曲面類復合材料構件成形過程中曲面變形的特點，采用基于單元等變形協調展開算法，以統一的形式快速展開天線罩各種形狀結構鋪層，得到毛料外形數據。天線罩數字化下料技術是實現天線罩設計制造一體化的關鍵技術。采用這種方法，下料樣板數量非常少，工藝準備和生產周期周期都短，預浸料利用率和加工效率高，成本低、加工質量也穩定。

2 利用CAM優化天線罩下料設計

圍繞數控切割機，數字化下料包括結構鋪層/芯層離散與優化設計、毛料展開、組合排樣、切割路徑規劃編程與仿真和數控切割加工等內容。依據數字樣機中的天線罩工件數模進行結構鋪層和芯層的離散和優化設計；毛料展開系統對各個結構鋪層進行展開，得到結構鋪層的分片毛料外形；組合排樣根據生產計劃展開毛料品種和數量信息、預浸料信息、以及結構鋪層的纖維方向等工藝要求和切割機的技術要求，綜合考慮進行排樣優化使材料利用率最大，得到排樣圖；排樣圖經過路徑規劃，得到實際可用的下料圖，利用CAM生成數控代碼，切割仿真對代碼進行校核；數控切割機執行數控指令進行下料加工。系統運行以天線罩工件模型和下料工藝過程數據為核心展開。產品數據庫中存儲結構鋪層的外形數據、毛料外形數據；下料工藝過程數據庫存儲排樣圖、下料圖和數控代碼，實現從天線罩設計到下料加工的數字化集成，從而降低材料消耗、縮短制造周期、提高加工質量和生產效率。

2.1 結構鋪層優化設計

結構鋪層設計就是指對鋪層角、鋪層比以及鋪層順序的選擇。既是工藝問題，也是設計問題，兩者會互相耦合作用。工藝部門根據產品圖紙和技術條件進行結構鋪層設計。對于型面復雜的天線罩構件來說，進行結構鋪層設計工作量很大，工藝人員不僅要進行結構鋪層界面的分析與選擇，同時要考慮界面選擇對產品性能的影響。受工作手段的限制，主要依靠工藝和操作人員個人的素質和經驗，并通過實物性能對結構鋪層設計的合理性進行驗證。因此不利于天線罩的質量控制和批量生產。

結構鋪層優化設計需要重點解決的問題有4個：一是，面向制造工藝的夾芯和蒙皮鋪層單元劃分；二是，鋪層單元的拼接或對接方式、方位的設計；三是，鋪層單元的鋪層方位與次序優化；四是，鋪層單元的鋪層定位技術等。結構鋪層優化設計需要將CATIA、ANASYS和FibSim等應用系統的集成應用，結合知識庫技術，建立集成應用的解決方案。

2.2 毛料數字化展開

天線罩在下料之前需要確定結構鋪層毛料的外形和尺寸。通過開發與現有的CATIA系統相集成的天線罩蒙皮鋪層數字化展開系統，根據天線罩結構鋪層的外形數據來反算毛料外形與尺寸。結構鋪層的型面數據通過對結構鋪層CAD模型型面劃分網絡后獲取；根據復雜曲面類復合材料構件成形過程中曲面變形的特點，采用基于單元等變形協調展開算法，以統一的形式快速展開天線罩各種形狀結構鋪層，得到毛料外形數據。

2.3 組合排樣

開發天線罩鋪層組合排樣系統，面向數控切割下料，根據下料計劃在預浸料上對多種類、不同數量結構鋪層排樣，同時提高材料利用率和加工效率，生成排樣圖和排樣結果清單。天線罩結構鋪層的組合排樣不同于純粹的二維幾何排樣優化問題，必須考慮生產計劃（鋪層的種類和各自數量）、各個鋪層的纖維方向、預浸料的種類和數量等制造約束條件，采用包絡、分組和排樣的三階段組合排樣算法，得到近似最優的解決方案。天線罩結構鋪層毛料和預浸料的二維幾何信息以標準交換格式讀取；開發與生產管理系統的接口，讀取下料計劃信息；預浸料信息、排樣圖、排樣結果報表等通過工藝過程數據庫存儲和管理。

2.4 切割路徑規化、編程與仿真

數控切割機是沿著毛料外廓連續進行切割，切割路徑規化是對天線罩鋪層毛料進行工藝設計，包括輪廓切入切出線、切割順序、切割方向等設計與優化。在生成數控指令之前，對排樣圖進行規劃，生成下料圖和規劃路徑的數據文件，供數控編程系統使用。應用CAM系統將下料圖自動轉變為數控程序，支持標準數控代碼格式；并根據已生成的NC代碼模擬實際加工過程，對自動生成的代碼進行校核和可靠性檢驗，實現規劃、編程和仿真的一體化。數控指令存儲到工藝數據庫中，以備加工調用。

2.5 結構鋪層控制

根據下料樣板外形及纖維鋪貼方向在預浸料上畫線下料便做好鋪層標記，因為鋪層層數很多，因此下料工作極為繁瑣，工作量大；同時受預浸料供應狀態限制，雖進行鋪層套裁，但難以做到科學合理，因此預浸料難以合理利用，造成一定的浪費。

結構鋪層時必須對預浸料的方向進行控制。以往，對于復雜型面，通過操作工人來定位，受操作工人本身素質、水平、情緒及環境影響較大，鋪層質量呈現一定的分散性，從而使產品的性能呈現一定的分散性。

3 需關注的問題

3.1 通過自動下料機下料并自動標示不同鋪層的位置、方向，解決鋪層過程中錯料問題。

3.2 通過引進激光定位儀，開發定位模型轉換和生成工具，在結構鋪層中明確標示不同結構層每塊預浸料鋪層鋪貼的位置與方向，使操作工人只需根據激光定位系統投影出的標示進行鋪貼，因而實際鋪層與工藝設計鋪層基本一致，使天線罩的外形尺寸、電性能和力學性能基本與仿真分析和計算結果吻合，可減少性能的離散性。

[責任編輯：湯靜]